看看這些耐凍生物:人體冷凍起死回生技術不是夢

spetoct · 發表於 2016-3-20 10:12:30

據國外媒體報道，大多數動物都痛恨寒冷。當冬日到來時，許多動物都會躲在地下冬眠，或是轉移到低緯度、更加溫暖的地方去。

但有些奇怪的動物的做法正好相反，在寒冷面前也能應對自如。

北極鬆鼠

　　我們仍在試圖解開這些耐凍動物之謎。對於其中一種動物來說，這樣做可能具有很重要的意義。幾名科學家正在對北極地鬆鼠展開研究，它們是唯一已知的、能夠忍受體溫降到零度以下的暖血動物。如果能解開其中的奧秘，也許我們就掌握了冷凍移植所需的人體器官的關鍵。

　　該研究甚至能為人體冷凍助一臂之力。這是一個備受爭議的話題，有些人將自己的屍體冷凍起來，希望自己在未來更先進的醫療條件下起死回生。

　　低於零度的體溫對於任何生物而言都是一個嚴重的問題，因為水在結冰時體積會膨脹。“當動物細胞中的水結冰時，形成的冰晶會膨脹、並撐破細胞，導致細胞死亡。”俄亥俄州立大學的一名昆蟲學家，戴維·丹林格說道。要想在低溫下生活，動物必須設法防止細胞內部結冰。

木蛙

冰晶會造成毀滅性的傷害。

　　最著名的耐凍生物當屬木蛙了。它們能夠在極地的嚴寒環境中生存數周之久。“耐凍生物會使用各種各樣的‘小技巧’來減少身體組織內部結冰造成的傷害，”邁阿密大學俄亥俄分校低溫生物生態生理學實驗室的瓊恩·科斯坦佐表示，“我們的團隊首次對阿拉斯加地區的木蛙的抗寒度展開了研究，它們在冷凍到零下14度的時候依然能夠存活！”

　　這種青蛙能夠產生一種名叫冷凍保護劑的物質，防止細胞內部形成冰晶。這種物質與汽車防凍液類似，都是通過降低冰點來阻止結冰。

　　“冷凍保護劑能夠降低體內的冰點，防止水一降到零點以下就結冰。”丹林格解釋道。當冷凍保護劑在水中溶解之後，它會和水分子緊密地聯結在一起。水分子與冷凍保護劑聯結在一起之後，就不會和其它水分子之間形成氫鍵，因此即使溫度降到零度以下，水也不會結冰了。

　　當溫度降到零度以下時，木蛙體內會產生尿素、葡萄糖和糖原，這些物質便起到了冷凍保護劑的作用。研究人員還在它們體內發現了一種基因，天氣變冷時，這種基因便會負責將葡萄糖運輸到細胞中去。

　　耐凍脊椎動物和昆蟲也會產生抗凍蛋白質，與冰晶聯結在一起，防止冰晶進一步生成。其中一種糖脂類化合物應用範圍十分廣泛，從植物到甲蟲，它都充當了抗凍劑的作用。2014年，科學家在木蛙體內也發現了這種糖脂類化合物。

一只被霜凍住的毛蚊

　　抗凍動物中最令人驚訝的要算無脊椎動物了。從蟑螂到毛毛蟲，許多節肢動物都能一次忍受數天的零下嚴寒。

　　這些物種中，有許多都會使用冷凍保護劑和抗凍蛋白質來保護自己的細胞。丹林格稱，有些生物的體液冰點可低至零下25攝氏度（這一溫度又稱過冷卻點），並且這並非一種罕見現象。

　　阿拉斯加有一種樹皮甲蟲（red flat bark beetle，拉丁名Cucujus clavipes puniceus），它的體液冰點可低至零下50攝氏度。但不同甲蟲之間的差別也很明顯——有些甚至能低至零下100度。

　　這些超級耐凍的甲蟲體內含有大量抗凍蛋白質，以及甘油之類的冷凍保護劑，這能讓它們即使在極端嚴寒的條件下，也能將冰的形成降到最少。

　　但這些生物適應嚴寒的方法卻無法解釋北極地鬆鼠的抗寒能力。北極地鬆鼠不用冷凍保護劑來保護自己的細胞，血液中也檢測不出任何抗凍物質成分。

　　“哺乳動物的血液中沒有冷凍保護劑。”阿拉斯加大學費爾班克斯分校北極生物研究所的布萊恩·巴恩斯（Brian Barnes）說道。過去二十多年間，他一直在研究北極地鬆鼠的冬眠情況。這種鬆鼠的體內肯定含有其它物質。

　　南極蠓（Antarctic midge，拉丁名Belgica Antarctica）則采取了另一種策略來應對嚴寒。“南極蠓也不會產生冷凍保護劑或抗凍蛋白質，”丹林格說道，“它們的方法是將體內的水排出體外。”

　　他指出，大多數昆蟲只能失去體內20%~30%的水，但南極蠓失去70%的水後仍能存活。通過讓自己失水，南極蠓便可以忍受零下20度的低溫。

　　在冷凍期間，它們的新陳代謝也會停止，看上去就像死亡了一樣。“它失去了這麼多水之後，看上去就像死了一樣，”丹林格說道，“但如果你給它加了點水，它很快就會滿‘水’複活。”

　　“南極蠓有冷凍脫水的能力，”日本大阪市立大學研究動物生理學的Shin Goto說道。他解釋稱，當南極蠓生活的地方開始結冰時，周圍的冰便會從南極蠓滲透性很高的身體中吸收水分，防止它們脆弱的組織內部結冰。

　　脫水是防止結冰的一種有效手段。畢竟沒有了水，也就不可能有冰。但哺乳動物失去了這麼多水是不可能存活下來的。因此冷凍脫水仍然不能解釋北極地鬆鼠的超級抗凍能力。

　　不過，預防並不是解決結冰問題的唯一方法。木蛙和其它耐凍動物還采取了另一種手段，即產生一種名叫冰核促進劑的物質（ice-nucleating agents），促進冰的生成。

　　雖然這看上去和我們的直覺相悖，但冰核能夠確保冰在細胞之間、而不是細胞內部生成。這種“細胞外的冰”造成的傷害要小得多，因為尖利的冰晶可以遠離細胞內部精細脆弱的細胞器。

　　任何物質都可以成為冰核：一小粒灰塵，甚至一個細菌細胞也可以。而在耐凍生物體內，冰核應該是蛋白質或者脂肪。不過科學家目前還沒有在實驗室中分離出這些天然的冰核。

　　“冰核是模仿成冰的分子。”巴恩斯說道。它們和冰晶有著類似的結構，就像種子一樣，開始冰晶的形成過程。木蛙的血液中含有冰核蛋白質，昆蟲、貝類、甚至植物體內也檢測出了冰核。

　　一旦冷凍起來之後，木蛙和其它耐凍脊椎動物就不得不關閉自己的生命係統，停止心跳和呼吸。因此，除了適應體內結冰之外，這些耐凍動物還進化出了在缺氧條件下生存的能力。

　　在遇到低溫時，剛孵化出的錦龜幼崽會產生一種抗氧化劑和蛋白質，與體內的鐵結合，這也是生物在缺氧情況下的普遍應對措施。2015年的一項研究證實，脫水的南極蠓也會采取類似的防禦機製來解決缺氧問題：南極蠓的幼蟲在冷凍狀態下，體內的抗氧化劑含量也會升高。

　　但就像冷凍脫水一樣，冰核對地鬆鼠也不管用。雖然像南極蠓這樣的無脊椎動物和木蛙這樣的冷血動物能夠忍受體內出現一定量的冰，但哺乳動物是不可能的。

一只北極地鬆鼠正在尋找食物

　　事實上，缺少冰核正是地鬆鼠獨特耐凍能力的關鍵。

　　“北極地鬆鼠在進入冬眠之前便會將體內可能成為冰核的物質清理幹淨。”巴恩斯說道。雖然它們的具體做法仍是一個謎團，但巴恩斯的研究指出，地鬆鼠可能是通過產生一種名叫掩蔽劑的物質，在冰核周圍開始結冰之前就把冰核中和掉的。

　　“北極地鬆鼠在體溫低至零下3度時仍能存活，但它們的身體不會結冰，”他解釋道，“它們的體液會進入一種‘過冷卻’狀態。”

　　既然北極地鬆鼠體內缺乏冰核，無法觸發冰晶形成，地鬆鼠體內的水自然也就無法結冰了。

　　不管這些動物究竟采取的是哪種抗凍策略，這樣做的時間都是有限的。大多數耐凍生物一年只能來這麼一次。在春天進行測驗時，木蛙就只能忍受零下5度的低溫了。雖然這已經是了不起的成就，但和它們秋天的抗凍能力相比可謂不值一提。

　　“我們還沒完全弄清為什麼它們的抗凍能力在春天會驟然下降，但這也許是因為它們生產冷凍保護劑的能力是有限的，”科斯坦佐說道，“兩種主要冷凍保護劑，葡萄糖和尿素，在春天的木蛙體內含量都很低。在被人類冷凍起來之後，這些木蛙受到的傷害也比冬天更嚴重。”

　　這也許是一個普遍的問題。一項研究發現，四種耐凍蛙類在春天的耐凍能力都會下降，這與它們生產抗凍保護劑的能力下降有關。

　　事實上，大多數耐凍生物在進入冷凍狀態之前都會有一小段適應過程。如果氣溫驟降，即使對最堅強的物質來說，也是難以忍受的。

　　伊莎貝拉虎蛾（Isabella tiger moth，拉丁名Pyrrharctia Isabella）生活在北極地區，它的毛蟲可以在零下20度的嚴寒下存活，使體液過冷到零下10度。12周的適應期能夠讓它們將體液的冰點降低2度左右。在這段時間裏，它們會產生甘油，脯氨酸和氨基酸來作為冷凍保護劑，在生理上做好應對嚴寒的準備。

　　北極地鬆鼠對付冬季嚴寒的手段要高明得多。“從冬眠的動物體內抽取的血液冰點比夏季動物的血液要低得多。”巴恩斯說道。但具體的原因仍是一個未解之謎。

　　他懷疑這可能與鬆鼠的大規模季節性變化有關。“我們正在研究它們是怎麼確定每年冬眠的時間的。”他表示這是由它們腦中的生物鍾決定的，它會設定好鬆鼠產生生理變化的時間，從而讓它們為冬季做好準備。

　　在動物世界中，生活在極寒地區的動物們都進化出了應對天寒地凍的適應方法。理解這些過程，將幫助我們研發出冷凍移植所需的人體器官的新技術。此外，了解動物冷凍的原理，也許正是使人體冷凍變為現實的關鍵所在。

　　目前，用於移植的器官只能進行冷藏，不能冷凍。這意味著它們只能存放短短幾個小時，因此用來救人的器官往往來不及及時趕到病人身邊。如果能對器官進行冷凍，增加器官的存活率，對於器官移植領域而言將具有革命性的意義。而像北極地鬆鼠這樣的耐凍生物身上，或許就隱藏著實現這一切的秘密。

　　事實上，對耐凍能力的研究已經取得了一些成果。

　　在魚類和昆蟲體內發現的防凍蛋白質顯然是改進冷凍保存技術的目標之一。2005年，一支由加州大學伯克利分校和以色列希巴醫療中心組成的研究團隊成功使用從南極魚類體內提取的防凍蛋白質冷凍並保存了老鼠心髒，時間長達21小時。然後這些心髒被移植進另外一些老鼠體內，又繼續跳動了至少24小時。

　　組織保存公司目前正在研究，比魚類更加有效的昆蟲防凍蛋白質能否用作人體器官保存的冷凍保護劑。

　　不過，與能從北極地鬆鼠身上學習的知識相比，從昆蟲和蛙類那裏學到的東西就很有限了。將一只昆蟲或兩棲動物冷凍起來是一回事，如果我們要想成功冷凍保存人類細胞的話，我們就得了解地鬆鼠這樣的暖血動物是如何處理體溫低至零下的問題的。

　　如果我們能弄清地鬆鼠清除體內冰核的方法，並將其運用到人類身上的話，我們也許就能冷凍細胞和器官、並防止細胞內部結冰了。

人體冷凍保存技術能否成功，目前還不清楚

　　有些人還希望，冷凍技術有朝一日能夠冷凍整個人體。事實上，隨著我們對耐凍動物的自我保護機製的了解不斷增加，人體冷凍技術也開始從中學習了一些方法。

　　例如，有些人體冷凍公司會先給屍體脫水，用甘油和二甲亞碸等物質組成的冷凍保護劑取代血液，然後再把屍體深度冷凍起來，希望這樣做不會損傷人體組織，或影響他們在未來複活。

　但即使是最厲害的動物也沒法在零下50度左右存活，而這離人體全身冷凍的溫度還差得遠呢。

　　Shin Goto認為對昆蟲冷凍保護劑和防凍蛋白質的研究具有較大的潛力，但他仍然懷疑我們是否真的能將整個人體冷凍起來、再將其解凍，“人體體積太大，難以冷凍和解凍。”他指出。

　　戴維·丹林格也讚同他的觀點：“我覺得冷凍整個人體是不太可能發生的，但我對冷凍和解凍人體組織仍抱有很大希望。”他補充說，南極蠓的冷凍脫水方法對“器官儲存領域也有很大的啟發”。

　　“如果我們真的弄清了南極蠓是如何做到這一點的，我們也許就能應用類似的方法來儲存人體組織和器官。”他說道。

　　到目前為止，對耐凍魚類、蛙類和昆蟲的研究已經進行了三十年，我們也從中學到了很多，但也還有許多謎團尚未解開。

　　北極地鬆鼠是唯一能長時間在體溫低於零度下存活的哺乳動物，它也許正是我們實現零下器官冷凍技術的關鍵。或許有朝一日，這只鬆鼠真的能救你一命呢。

johny-chew · 發表於 2016-5-29 01:19:59

感謝WK大大的分享!

jos921 · 發表於 2019-10-31 07:51:14

感謝版主的無私分享精彩佳作

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